刘威1 李新宇2
中国一重铸锻钢事业部水压机锻造厂，黑龙江省 齐齐哈尔市， 161041
中国一重铸锻钢事业部工艺技术部， 黑龙江省 齐齐哈尔市，161041
摘要：镦粗和拔长是大型锻件锻造的基本工序，随着数值模拟技术的进步，对二者的研究也逐渐深入。扭转镦粗将锻件与模具的摩擦力转化成利于锻件变形的剪切应力，从而提高锻件的等效应变值，提升锻件的力学性能。随着对扭转镦粗各工艺参数的优化和扭转镦粗设备的研发，扭转镦粗将在改善锻件质量上发挥更大的作用。
关键词：大型锻件；锻造工艺；镦粗；拔长；研究进展
大型锻件广泛应用于能源、交通、国防、钢铁、石化等工业，通常是机械设备的核心部件，例如：重型压力容器、水轮机大轴、汽轮机主轴、齿轮轴、发电机转子、船用大型曲轴、大型模块等，所以对大型锻件的晶粒组织和力学性能要求都比较高。在某种意义上，大型锻件的制造技术是衡量国家重工业发展水平的一个重要标志。随着相关工业的快速发展，大型锻件的尺寸越来越大，对质量的要求也日益提高。因此，提高大型锻件的锻造水平，规范其生产工艺，具有非常重要的意义。
1大型锻件的锻造工艺
大型锻件主要特点是体形大、质量要求高、批量小、生产费用高、周期长，其生产过程包括：冶炼、铸造、锻造、热处理等多道工序。钢锭在铸造过程中，不可避免的会有一些偏析、缩孔、疏松等缺陷，并且钢锭体形越大，钢锭内部的缺陷就越明显，钢锭内部缺陷对大锻件的性能有着重要影响。锻造消除或改善钢锭内部缺陷的主要目的有两个：“成形”和“改性”，前者将坯料变形到锻件所需要的形状，后者通过改变坯料的微观组织使锻件的力学性能达到要求。大型锻件所用到的基本锻造工序是镦粗和拔长。通过镦粗和拔长工序，能够改善坯料内部的疏松或孔洞等缺陷，以获得均质致密的微观组织，从而提升锻件的塑性和力学性能。由于大锻件的生产成本高，不可能做生产性试验来研究锻造工艺，随着数值模拟技术的发展，各种锻造技术在新的模拟条件下均得到较快的发展。
2镦粗的研究进展
镦粗是材料塑性加工的基本变形方式，能够改善铸态组织，消除铸造缺陷。然而传统的镦粗工艺容易出现鼓形、应力应变分布不均、缺陷难以锻合等问题，这不但起不到改善铸锭质量的目的，还可能导致铸锭报废，造成巨大损失。研究较多的型砧镦粗工艺在一定程度上能够改善上述问题，包括锥形板、碟形板、球形板、M形板等多种型砧镦粗工艺]。型砧镦粗主要从下压载荷和砧子与锻件接触面形状的角度，考虑镦粗对锻件应力应变及改善缺陷的影响。然而在锻件变形过程中产生的剪应力对锻件质量也有很大的影响，基于这个角度提出的扭转镦粗工艺成为新的研究热点。
2.1扭转镦粗原理
扭转镦粗是一种复合加载变形工艺，在砧下压的同时，通过上压头的扭转或者下砧处的旋转工作台的扭转，将模具和锻件间原本有害的摩擦力变成使锻件变形的剪切应力，从而提高锻件的应力应变状态使得锻件组织更加均匀。剪切应力的增加使得锻件的变形变得更加容易，轴向压应力也因此降低，能够增强非密实锻件的焊接性能；扭转镦粗使锻件产生较大的塑性变形，在轴向压应力和径向剪切应力的共同作用下能够提高等效应变值，使难变形区域减小。这样有利于打碎铸态组织，锻合内部孔洞缺陷，细化晶粒，从而使锻件内部组织变得更加致密，进而提升锻件的力学性能、减小鼓形和表面开裂。
2.2扭转镦粗的影响因素
扭转镦粗工艺是在镦粗的同时，通过上下模的扭转来实现扭转镦粗的。扭转装置可分为两种类型。通过上压头做扭转运动，在给锻件以下压载荷的同时施加扭矩。扭转镦粗的影响因素除了要考虑高径比、下压速度等传统镦粗的影响因素外，还要考虑摩擦力和扭转角度的影响。
考察各因素对镦粗质量的影响多是通过数值模拟实验来完成的，常用的软件主要为DEFORM-3D模拟软件。通过对42CrMo大型铸锭的扭转镦粗模拟实验认为，上模扭转镦粗能够使锻件应变分布变得更加均匀、载荷变小，并且随着扭转角速度的增大，应变分布变得更均匀，鼓形和损伤逐渐减小；同时，还考察了上下模同时反向扭转对镦粗质量的影响。上下模同时扭转可以增大有效应变值，应变也变得均匀，但锻件鼓形和载荷均有所增大。通过正交试验后认为，对扭转镦粗质量影响因素的次序为：摩擦因子＞高径比＞扭转角度＞下压速度，并得出各因素的最优组合。摩擦因子在保证不发生相对滑动的前提下，取值越小锻件变形越均匀；高径比越小，变形均匀性越好，但载荷会增大；扭转角度处于30°～45°之间，均匀性最好；下压速度的增大会引起载荷和扭矩的增大，因而不宜过快。扭转镦粗将原本有害的摩擦力转变为促进锻件应变均匀化的力，对改善大型铸锭内部质量有积极作用，同时这种思路对其他锻造工序也有借鉴意义。当前限于压力机的性能，还不能完全满足扭转镦粗需要，其应用也就受到了限制。随着对扭转镦粗理论的深入研究和扭转镦粗设备的开发，扭转镦粗在大型锻件的锻造工艺中将发挥更大的作用。
3拔长的研究进展
拔长是将坯料增加长度、减少横截面积同时改善锻件内部质量的主要锻造方法。对于大型锻件，拔长的主要作用是改善内部质量。传统拔长工艺最常用的方法有：FM法、WHF法和JTS法等。这些拔长变形的共同特点是锻件内部会形成方向性明显的纤维组织、锻件与上下砧接触的区域存在难变形区。这会使锻件在纵、横向力学性能存在严重的差异。对于轴向受载为主的锻件，锻件的轴向力学性能良好能够满足其需要，但是现在很多大型轴类锻件受力情况复杂，会出现横向受载的情况，因此不仅对锻件的轴向力学性能有要求，还对横向力学性能有一定要求。
3.1型砧拔长
在拔长锻造过程中，型砧比平砧能使钢锭产生三向压应力，从而使坯料内部获得较大的变形量和静水压力，改善大锻件中心区域的缺陷。型砧按几何形状可以分为V型砧、梯型砧、凸面锥型砧等类型，上下砧可以采用不同类型的组合。利用数值模拟技术对各种砧型拔长进行深入研究，型砧拔长工艺得到了较快的发展。
3.2砧面形状对拔长的影响
V型砧对坯料心部孔洞有较好的锻合效果，且不同夹角V型砧对锻件应力应变的影响也不同，以125°～135°为最佳。V型砧有上平下V型组合砧、上下V型砧等两种形式，两种形式都能改善轴类锻件的横向力学性能，但上下V型砧比上平下V组合砧能使锻件得到更均匀的应力应变和孔洞锻合能力[14]。此外，对于上平下V型砧，新的“三压法”翻转方式可以提高锻件截面周向变形的均匀性。对于上下V型砧，难变形区主要位于V型砧夹角处，为了使坯料心部和次表层金属能得到更大的变形量，研究者将V型砧夹角处进行改进，变为凸型平砧面，这称为梯型砧或者M型砧。与V型砧相比，这种复合曲面型砧，能够增大锻件心部的变形程度，坯料内部能获得较大且均匀的压应力，利于内部孔洞缺陷的锻合，同时也能使与型砧接触区的金属变形更加均匀。
4结语
拔长在消除锻件内部缺陷中所起的作用更大。大型锻件受力情况复杂，有些以横向受载为主，这对锻件横向力学性能有一定要求。型砧拔长通过改变砧子的形状，控制锻件内部纤维流向，从而改变轴类锻件的力学异向性。V型砧、梯型砧、凸面锥型砧都能起到这种作用，对不同型砧的深入研究，能够使锻件变形更均匀，对孔洞有更好的锻合能力。随着对镦粗和拔长等锻造基本工序的深入研究，大型锻件的锻造质量将得到提高，这对各相关工业都有很大的促进作用。
参考文献：
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